元寶灣煤礦39105 工作面有毒氣體及采空區(qū)防治技術(shù)研究

張 喜

（中煤華昱元寶灣煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900）

1 工程概況

山西朔州山陰金海洋元寶灣煤礦39105 工作面位于一水平一采區(qū)，工作面走向長度650 m，工作面寬度245 m，煤層平均傾角為7°，工作面內(nèi)9 煤厚度8.5～14.5 m，平均11 m；屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，自燃傾向性為自燃。39105 工作面南部130 m 區(qū)域范圍內(nèi)上覆4 煤層有整合前無序開采巷采區(qū)、采空區(qū)，呈南高北底，東高西低，在工作面上覆6203 工作面采后裂隙與4 煤部分采空區(qū)溝通，4 號煤層采空區(qū)內(nèi)存在遺煤氧化產(chǎn)生的一氧化碳等氣體，現(xiàn)為有效治理上覆采空區(qū)內(nèi)的有毒氣體、防止本工作面采空區(qū)遺煤自燃，特進行防治方案研究。

2 上覆采空區(qū)有毒氣體防治

根據(jù)現(xiàn)場實測資料可知，39105 工作面上覆4煤層老空區(qū)內(nèi)的CH4、CO2、CO 濃度呈現(xiàn)向南逐步增大的趨勢，甲烷最大濃度0.31%、二氧化碳最大濃度13.55 %、一氧化碳最大濃度7 608×10-6；井田南部邊界纏腰灣古空區(qū)內(nèi)依次出現(xiàn)乙烷、乙烯、乙炔氣體，且氣體濃度呈增大趨勢，乙烷最大濃度0.023 5 %、乙烯最大濃度0.000 9 %、乙炔最大濃度0.000 2%。鉆孔內(nèi)可明顯觀測到煙氣向巷道空間溢出，鉆孔內(nèi)溫度最大達到170℃以上。因此，39105 工作面在掘進和回采過程中將面臨上覆鄰近采空區(qū)高溫及高濃度災(zāi)害氣體的威脅，嚴重影響工作面安全回采。因此，本方案除采用增壓通風(fēng)技術(shù)防止有毒有害氣體涌出之外，擬采用對上覆4 煤采空區(qū)注三相泡沫技術(shù)置換采空區(qū)內(nèi)高溫高濃度有毒有害氣體，避免貫通上覆老空區(qū)時，氣體大量涌出，涌入工作面；此外還能避免上覆采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自燃以及熄滅可能存在的火區(qū)。

主要采取井下打鉆灌注三相阻化泡沫滅火材料的方法對可能存在的火區(qū)進行治理，充分發(fā)揮三相阻化泡沫防滅火材料流量大、擴散性強、吸熱降溫效果好的特點，實現(xiàn)快速治理，具體方案如下：

1）均壓通風(fēng)：根據(jù)氣象條件、CO2涌出量、工作面同時工作最多人數(shù)、瓦斯涌出量等分別對工作面風(fēng)量進行計算[4]，最終確定39105 工作面應(yīng)配風(fēng)量為1 278 m3/min。

局部通風(fēng)機全風(fēng)壓計算公式為：

式中：hv為風(fēng)筒出口動壓損失，經(jīng)計算取0.811；h為副斜井井口至39105 工作面通風(fēng)阻力，取1 009Pa；R為風(fēng)筒的總阻力，經(jīng)計算取0.920 4 N·s2/m8；Q為風(fēng)機吸風(fēng)量，14.2 m3/min；Hc為出口阻力，經(jīng)計算為180 Pa；基于上述數(shù)據(jù)能夠計算得出局部通風(fēng)機全風(fēng)壓Ht=1 571 Pa。

根據(jù)礦井當前閑置4 臺FBD№8.0（2×75 kW）局部通風(fēng)機，擬采用“兩兩并聯(lián)”使用?，F(xiàn)對其性能及效果進行預(yù)分析。4 臺同型號同廠家的局部通風(fēng)機，其曲線也相同。根據(jù)風(fēng)壓不變，對應(yīng)相同風(fēng)壓的風(fēng)量相加的原則，可以繪制出風(fēng)機并聯(lián)運行曲線。同理，可將均壓的風(fēng)壓值看作1 臺均壓風(fēng)機的風(fēng)壓，均壓風(fēng)量的50%看作為1 臺均壓風(fēng)機的風(fēng)量。

圖1 FBD№8.0（2×75 kW）的通風(fēng)機性能曲線圖

由圖1 可知，當1 臺風(fēng)機風(fēng)量在850～980 m3/min（2 臺風(fēng)機并聯(lián)風(fēng)量1 700～1 960 m3/min）時，風(fēng)壓為5 300～1 800 Pa, 均大于計算結(jié)果1 571 Pa，滿足要求。

根據(jù)39105 工作面特征，為確保工作面風(fēng)量充足，設(shè)計工作面風(fēng)機、風(fēng)窗位置如圖2。風(fēng)機、風(fēng)窗的具體布置如下：①在39105 主運順槽口構(gòu)筑1 道調(diào)節(jié)墻并安設(shè)調(diào)壓風(fēng)機4 臺（2 用2 備）調(diào)壓風(fēng)機的出口通過與風(fēng)機配套的鐵風(fēng)筒延伸至調(diào)節(jié)墻內(nèi)側(cè)；②在39105 主運聯(lián)巷構(gòu)筑一組無壓風(fēng)門；③在39105回風(fēng)繞道口構(gòu)筑2 道調(diào)壓風(fēng)門，調(diào)節(jié)風(fēng)窗大小為1.5×2 m2，并放置足夠量的窄調(diào)節(jié)板；在調(diào)節(jié)墻外側(cè)安置1 個“U”型水柱計，監(jiān)測調(diào)節(jié)墻與回風(fēng)繞道的壓差；④作業(yè)期間，所有風(fēng)機應(yīng)能實現(xiàn)雙電源自動切換和三專兩閉鎖。

圖2 均壓通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2）鉆孔灌注三相阻化泡沫：該鉆孔主要為熄滅上部采空區(qū)及小窯火區(qū)而施工的鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，依據(jù)火區(qū)的范圍具體布置鉆孔深度、角度及個數(shù)等[5-6]。

滅火鉆孔主要是為了熄滅上部采空區(qū)及小窯火區(qū)而施工的鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場實際情況可在巷道內(nèi)直接向上部采空區(qū)或小窯方向施工滅火鉆孔，必要時可以做鉆場實施滅火鉆孔。鉆孔個數(shù)和長度視火區(qū)范圍而定。向上覆采空區(qū)及小窯火區(qū)施工鉆孔時，根據(jù)實際情況布置探孔，探孔施工時應(yīng)在不同深度測量孔內(nèi)溫度并檢測氣體指標，如發(fā)現(xiàn)溫度和氣體指標反常必須取氣樣進行多種指標氣體分析，并補充探孔數(shù)量以確定火源點確切位置并將其撲滅。滅火鉆孔主要沿工作面傾向布置，鉆孔終孔位置施工至已探知或可能的火區(qū)。為充分發(fā)揮三相阻化泡沫的大流量灌注的特點，實施的鉆孔全程下套管，且套管內(nèi)徑大于75 mm，在圈定的火區(qū)內(nèi)施工三相阻化泡沫灌注鉆孔時，一組鉆孔一次灌注，一組鉆孔內(nèi)包含2～3 個鉆孔，灌注示意圖如圖所示。

圖3 鉆孔治理火區(qū)示意圖

3 采空區(qū)防滅火方案

為保障39105 工作面的安全回采，必須根據(jù)礦上實際情況制定針對性強的綜合防滅火系統(tǒng)，即建立由注氮、灌漿、三相阻化泡沫共同組成的綜合防滅火系統(tǒng)；具體防滅火系統(tǒng)中各項防滅火措施的參數(shù)如下：

3.1 注氮防滅火

工作面采用KM-60/10 型移動式制氮機，注氮機注氮流量≥600 m3/h，出口壓力0.5～1 MPa，制氮機純度≥97%，功率185 kW；制氮機安裝在采區(qū)6 煤輔助運輸巷的注氮硐室內(nèi)。灌漿管路布置的作用：為三相阻化泡沫發(fā)生裝置提供漿源。位于工作面主運順槽敷設(shè)一趟型號為φ108 mm 的無縫鋼管，將管路作為注氮的主要管路，并在主要管路上每間隔20 m 布置1 個三通和控制閥門，通過此方式能夠?qū)Σ煽諈^(qū)內(nèi)監(jiān)測到的危險鉆孔實現(xiàn)快速惰化[7-8]，以此達到有效控制火區(qū)發(fā)展的目的。

采空區(qū)內(nèi)注氮管路布置采用邁步式埋管，即在主輸順槽內(nèi)布置2 趟φ108 mm 的鋼管，設(shè)置2 趟管路的壓茬距離為30 m，隨著工作面回采作業(yè)的進行，當一趟管路埋入采空區(qū)的深度達到150 m 時，此時即可開始進行注氮作業(yè)，當另一趟管路埋入采空區(qū)150 m 后，即可開啟第二趟注氮管路，在工作面進一步推進30 m 后，此時即可停止第一趟管路的注氮作業(yè)。具體工作面注氮系統(tǒng)布置如圖4 所示。

圖4 39105 工作面注氮系統(tǒng)布置示意圖

3.2 注漿防滅火系統(tǒng)

在輔運順槽布置灌漿管路，敷設(shè)一趟型號為φ108 mm 的無縫鋼管作為注漿主管路，主管路間隔20 m 左右分出三通和控制閥門，能夠?qū)ΡO(jiān)測到的危險鉆孔實現(xiàn)快速灌注，控制火區(qū)發(fā)展；采空區(qū)內(nèi)采用邁步式埋管，分別埋設(shè)2 趟型號為φ108 mm 的鋼管，管路壓茬距30 m，當注漿出口進入采空區(qū)10 m時開始注漿，隨工作面推進依次交替連接2 趟注漿管路，邁步式注漿，具體注漿系統(tǒng)布置如圖5 所示。

圖5 39105 工作面注漿系統(tǒng)圖

3.3 三相阻化泡沫防滅火

三相阻化泡沫系統(tǒng)主要由制注漿（井下移動式注漿系統(tǒng)）、注氮系統(tǒng)和礦用三相阻化泡沫發(fā)生器組成，三相阻化泡沫灌注管路布置同注氮系統(tǒng)。

3.4 工作面回采期間防滅火技術(shù)

1）端頭封堵：為減少工作面采空區(qū)漏風(fēng)，上下端頭自回采開始應(yīng)每推采距離隔20～30 m 砌筑2 道擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻中間用封堵材料封堵壓實。在跺袋隔墻外部設(shè)置擋風(fēng)簾，擋風(fēng)墻和擋風(fēng)簾的施工方式如圖6 所示。即：首先沿底板鋪設(shè)風(fēng)簾布，如圖中（1 圖）所示，而后在風(fēng)簾布的一端上壘設(shè)黃泥袋子墻，之后將風(fēng)簾緊貼袋子墻吊起（2 圖），把風(fēng)簾布的另一端利用鐵絲掛設(shè)在巷道頂板的錨網(wǎng)上（3 圖），這種方式施工的袋子墻具有更好的堵漏效果。同時還要加強監(jiān)督管理，每班規(guī)定專人對擋風(fēng)墻的質(zhì)量和擋風(fēng)簾的懸掛位置進行視察，如出現(xiàn)擋風(fēng)墻上部不接頂?shù)嚷╋L(fēng)現(xiàn)象立即組織人員堵漏。

2）埋管注氮:通過預(yù)埋管注氮，可以惰化采空區(qū)，置換氧氣，降低浮煤氧化速度，稀釋有害氣體，同時可以提高工作面采空區(qū)壓能來抑制上鄰近層火區(qū)的有害氣體，工作面主運順槽采用邁步式埋管，灌注氮氣，隨采隨灌。當工作面回采超過100 m 時，進風(fēng)巷預(yù)埋管間距由20 m 改為30 m。當?shù)谝惶祟A(yù)埋管出口距工作面10 m 時，開始灌注氮氣；當工作面推進至距離第一趟管路出口30 m 處，開始預(yù)埋第二趟管路，當工作面距第二趟管路出口10 m 時，第二趟管路開始灌注，第一趟管路停止灌注；以此類推交替進行。預(yù)埋管路的端口采用鐵絲網(wǎng)罩好，并用堅固的護欄(或石墻)保護，防止煤巖、泥水等進入管孔內(nèi)，堵住管路出口，如圖7 所示。

圖6 跺袋墻施工方式示意圖（沿工作面走向垂直剖面）

圖7 工作面回采期間注氮防滅火示意圖

3）注漿。由于39105 工作面為俯采工作面，不利于工作面灌漿，故采用工作面封閉后灌漿，或在工作面有自然發(fā)火征兆時灌漿。灌漿工作是與回采工作緊密配合進行。設(shè)計灌漿為三班灌漿，每天灌漿時間為10 h，若礦井自燃發(fā)火嚴重，且所需灌漿的工作面較多，宜采用四班灌漿，每天灌漿時間為15 h。灌漿時應(yīng)時刻觀察注漿效果，并適時調(diào)整灌漿量，以防發(fā)生事故。

4 效果分析

39105 工作面回采期間，采用束管監(jiān)測系統(tǒng)進行工作面采空區(qū)內(nèi)指標氣體的監(jiān)測分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出采空區(qū)進風(fēng)側(cè)或回風(fēng)側(cè)CO 和O2濃度的變化曲線如圖6 所示。

圖6 采空區(qū)進風(fēng)和回風(fēng)側(cè)CO 和O2 濃度曲線圖

分析圖6 可知，工作面采用有毒氣體防治方案及采空區(qū)防滅火方案后，采空區(qū)內(nèi)的CO 濃度始終處于較低的水平，監(jiān)測期間，在最大埋深120 m 的深度內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)的CO 最大濃度最大不超過80×10-6且氧氣濃度也處于正常狀態(tài)。另外，在工作面回采期間，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，回采期間采空區(qū)無遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

根據(jù)39105 工作面的賦存特征，基于9 號煤層自燃特征及上覆采空區(qū)內(nèi)有毒氣體賦存情況，設(shè)計采用均壓通風(fēng)+ 鉆孔灌注三相阻化泡沫滅火方案治理上覆采空區(qū)有毒氣體，采用注漿+注氮+高倍阻化泡沫進行采空區(qū)防滅火，根據(jù)工作面回采期間采空區(qū)內(nèi)氣體的監(jiān)測結(jié)果可知，有毒氣體防治及采空區(qū)防滅火方案實施效果顯著，有效保障了采空區(qū)的安全。